Пограничные лучи и их свойства

Обновлено: 04.05.2024

Читайте про открытие, свойства и дифракцию рентгеновских лучей. Узнайте, как выглядит применение рентгеновских лучей, воздействие, длина волны и энергия.

Рентгеновские лучи – электромагнитные, которые по длине волны вписываются в диапазон 0.01-10 нм, а энергия – 100 эВ – 100 кэВ.

Задача обучения

Отличать две категории и их биологическое влияние.

Основные пункты

Рентгеновские лучи по показателю длин волн уступают УФ и превышают гамма. Первооткрывателем считают Вильгельма Рентгена.
Они обладают крайне высокой энергией, поэтому именуются ионизирующими лучами и способны повредить живые организмы. Высокая доза даже в короткий временной промежуток приводит к лучевой болезни, а более низкие дозы – риск радиационного рака.
Низкие дозы применяют в медицине (рентгенография и спектроскопия).
Делятся на две категории: жесткие с энергией выше 5-10 кэВ (0.2-0.1 нм) и мягкие с энергией 100 эВ – 5 кэВ (10-0.1 нм). Первые более полезны для радиографии, потому что проходят сквозь ткань.
Отличие между рентгеновскими лучами и гамма условно и на границе с высокими энергиями заметно перекрытие.

Термины

Радиограф – при помощи излучения, отличного от обычного света, создается изображение.
Рентгеновская спектроскопия – химический анализ при помощи рентгеновского спектрометра.
Рентгеновская кристаллография – обработка образцов кристаллическим веществом, чтобы получить сведения о структуре решетки кристалла и молекулярном составе вещества.

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи - электромагнитные волны, чья длина охватывает диапазон 0.01-10 нм, частоты: 30 Гц – 30 эксагерц, а также энергию 100эВ – 100кэВ. Они уступают по длине УФ, но превосходят гамма. Названы в честь Вильгельма Рентгена, которому принадлежит открытие рентгеновских лучей. Он именовал их Х-лучами, чтобы обозначить новый неизвестных вид волны.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличаются, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Свойства и применение

Давайте перечислим свойства рентгеновских лучей. У рентгеновских фотонов наблюдается достаточное количество энергии, позволяющее ионизировать атомы и разрушать молекулярные связи. Именно поэтому они так опасны для живых организмов. Крайне высокая доза облучения даже в короткий срок приводит к лучевой болезни, а более низкие повышают риск радиационного рака. Однако в медицине научились использовать лучи с пользой. Ионизирующая способность помогает лечить рак, уничтожая злокачественные клетки (лучевая терапия). Также с их помощью исследуют различные материалы.

Рентгеновские лучи – часть электромагнитного спектра, чья длина волн уступает видимым

Можно выделить два главных типа. Лучи с энергиями фотонов выше 5-10 кэВ именуют жесткими, а те, у кого наблюдается более низкая энергия, мягкими. Умение проникать в объекты, помогло создавать изображения внутри них (в аэропортах, медицине).

Длина волны жестких лучей похожа на размеры атомов, поэтому помогает определять кристаллические структуры. А вот мягкие быстро поглощаются воздухом. Это нежелательные гости в медицине, потому что впитываются телом и повышают дозу облучения. Чтобы избежать опасности, над окном рентгеновской трубки устанавливают тонкий металлический лист.

Отличие рентгеновских и гамма лучей

Можно сказать, что разница между рентгеновскими лучами и гамма несет условный характер. Чаще всего их отличают по длине волны. Рентгеновские трубы обычно обладают большей длиной волны, чем в радиоактивных ядрах. Исторически использовали их происхождение: Х-лучи создаются электронами вне ядра, а гамма – ядром.

Ионизирующие излучения. Световые и пограничные с ними лучи

Наряду с видимым спектром лучей, создающим естественное и искусственное освещение, в производственных условиях возможно влияние на рабочих и пограничных с ними по длине волны лучей – инфракрасных и ультрафиолетовых (см. табл.6.1). Инфракрасное излучение (тепловая радиация) – условия его образования и влияние на организм – рассмотрены в теме 5.

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) в умеренных дозах оказывают положительное влияние на организм: улучшают обмен веществ, усиливают иммунобиологическую сопротивляемость, стимулируют образование в коже витамина D. Известно антирахитическое и бактерицидное их действие.

К производственным вредностям относятся УФЛ, которые могут влиять на рабочих, занятых электросваркой, а также на лиц, обслуживающих ртутно - кварцевые лампы. Облучение кожи может вызвать дерматит с явлениями отека, жжения, зуда, иногда сопровождающимися общими симптомами: повышением температуры тела, появлением головной боли и др.

УФЛ являются причиной профессионального заболевания глаз у электросварщиков - электроофтальмии. Заболевание возникает обычно через несколько часов после работы и выражается в покраснении и припухлости век, ощущении рези и песка в глазах; характерны спазм век, светобоязнь. При обследовании часто обнаруживается поражение роговицы (вздутие эпителия) в виде мелких пузырьков.

Видимые лучисоздающие естественное и искусственное освещение - необходимый компонент жизнедеятельности человека как в быту, так и на производстве. Недостаточные уровни освещенности, некачественное освещение может привести к:

1. снижению работоспособности;

2. профессиональным заболеваниям (близорукость и т.д.);

К ионизирующим излучениям относятся рентгеновские и гамма-лучи, являющиеся электромагнитными колебаниями с очень небольшой длиной волны, а также альфа- и бета-частицы, позитроны и нейтроны – частицы с положительным или отрицательным зарядом или не несущие его. Все эти виды излучений наблюдаются при естественном самопроизвольном распаде ядер некоторых так называемых радиоактивных элементов (радий, торий и др.) или могут быть получены искусственно, например рентгеновские лучи, позитроны.

Основным свойством радиоактивных лучей является ионизирующее действие: при прохождении их в тканях нейтральные атомы или молекулы приобретают положительный или отрицательный заряд и превращаются в ионы. Наибольшую плотность ионизации вызывают -лучи, представляющие собой положительно заряженные ядра гелия. -лучи - поток электронов, который выбрасывается из атомных ядер и может нести большую или меньшую энергию, но ионизирующие свойства их выражены слабее, чем у -лучей. Позитронные частицы отличаются от -лучей только положительным знаком заряда. -лучи и рентгеновские лучи обладают наименьшей плотностью ионизации, но наибольшей проникающей способностью.

Ионизирующие излучения могут оказывать влияние на организм как при внешнем, так и внутреннем облучении. При внешнем облучении возможно попадание лучей на кожу или более глубокое прохождение их в ткани, что зависит от проникающей способности. Например, -лучи, хотя и обладают большой ионизирующей способностью, при внешнем облучении почти не проникают в ткани (0,020,06 мм). Большей проникающей способностью обладают -лучи, но особенно - и рентгеновские лучи. Эти лучи даже в таких материалах, как свинец, бетон, вода, которые хорошо их поглощают и применяются для защиты от ионизирующих излучений, могут проходить расстояние в десятки сантиметров. По мере удаления от источника интенсивность излучения падает прямо пропорционально квадрату расстояния.

Очень большой проникающей способностью обладает нейтронное излучение: проходя через ткани, нейтроны вызывают образование в них радиоактивных веществ - так называемую наведенную активность.

Внутреннее облучение наблюдается при попадании радиоактивных веществ в органы дыхания, желудочно-кишечный тракт или при всасывании через поврежденную кожу. При внутреннем облучении наиболее опасны -излучатели, меньше - - и -излучатели. Попадая в легкие при вдыхании радиоактивных газов и пылей или в пищеварительный тракт, такие вещества не только облучают эти органы и близ лежащие ткани, но всасываются и распространяются по организму с током крови. При этом некоторые из них, например радиоактивный натрий, распространяются в организме равномерно, другие накапливаются в определенных, так называемых критических, органах и тканях: радиоактивный йод – в щитовидной железе, радий и стронций – в костях и т. д. Длительность задержки радиоактивных веществ в организме зависит от скорости выведения и распада. Например, активность излучений такого радиоактивного газа, как торон, уменьшается вдвое в течение минуты, а такого элемента, как радий – за период около 1600 лет.

Радиоактивные вещества выводятся из организма главным образом через желудочно-кишечный тракт, почки и легкие (газообразные соединения). Некоторые соединения могут выделяться через кожу, слизистую оболочку рта, частично с потом и молоком. В первые дни после поступления в организм радиоактивные вещества выводятся быстрее; в дальнейшем этот процесс замедляется.

Биологическое действие ионизирующей радиации связано с тем, что в облучаемых жидкостях и тканях происходит ионизация: некоторые атомы и молекулы теряют электроны и становятся положительно заряженными, другие соединяются с электронами и приобретают отрицательный заряд. Основную роль играет ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов H, OH, H₂O₂, HO₂. Взаимодействие их друг с другом и тканями ведет к возникновению перекисей и других биологически активных продуктов, которые являются сильными окислителями и ядовитыми для тканей веществами. Свободные радикалы действуют на сульфгидрильные группы (SH) белков и инактивируют их. Ионизирующая радиация также непосредственно влияет на белки и липоиды, вызывая их денатурацию.

Действие ионизирующих излучений может вызывать местные и общие поражения. Местные поражения кожи бывают главным образом в форме ожогов (острое действие), дерматитов и других форм. Иногда возникают доброкачественные новообразования, но возможно развитие кожного рака.

Длительное действие ионизирующей радиации на хрусталик может вызвать катаракту.

Общие поражения протекают в виде острой и хронической лучевой болезни. Для острой формы характерны общетоксические симптомы (слабость, тошнота и др.) и специфическое поражение кроветворных органов, желудочно-кишечного тракта, нервной системы и др. Для ранних стадий хронической формы характерны нарастающая астения, угнетение белого, а затем и красного кровяного ростка (лейкопения, тромбоцитопения, эритропения), повышенная кровоточивость. Вдыхание радиоактивной пыли может вызвать пневмосклероз, а иногда рак бронхов и легкого. Наблюдаются случаи развития лейкоза.

Ионизирующая радиация оказывает угнетающее действие на генеративную функцию мужского и женского организма и может отрицательно влиять на потомство.

Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

Ионизирующие излучения - все излучения, которые при действии на вещество непосредственно вызывают его ионизацию.

Виды ионизирующих излучений:

1. Коротковолновое ультрафиолетовое

2. Рентгеновское излучение

3. Радиоактивные излучения:

d. Нейтронные излучения.

Природа и виды рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

Рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, которое на шкале ЭМВ расположено между ультрафиолетовыми и гамма-лучами.

Виды рентгеновского излучения:

1. по длине волны и проникающей способности:

a. мягкое (длина волны больше, чем у жесткого, а проникающая способность меньше)

2. по механизмам излучения и спектрам:

Все виды рентгеновского излучения можно получить с помощью рентгеновской трубки. Рентгеновская трубка – двухэлектродный вакуумный прибор, в основе работы которого лежит явление термоэлектронной эмиссии:

Электрические токи разогревают катод, и он испускает электроны. Вылетевшие электроны образуют электронное облако у катода. Электроны летят к аноду. У анода происходит их взаимодействие с атомарным электроном и веществом анода, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Анод выполняется из тугоплавких теплопроводных металлов с высокой молекулярной массой (например, вольфрама). Применяется специальное охлаждение анода водой, маслом, либо используется технология «вращающегося анода».

Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

Тормозное рентгеновское излучение – излучение, которое образуется при торможении быстрых электронов атомарным электрическим полем анода (полем атомарных электронов).

Теория Максвелла: вокруг движущихся заряженных частиц существует электрическое и магнитное поле. Когда скорость электронов уменьшается, уменьшается и индукция магнитного поля, следовательно, в пространстве происходит цепочка взаимосвязанных изменений электрического и магнитного полей, т.е. порождается электрическая волна.

В рамках закона превращения энергии: при тормозном излучении уменьшающаяся кинетическая энергия электронов переходит в энергию электромагнитного излучения, а также внутреннюю энергию атомов анода, вызывая его нагревание.

, где е – заряд электрона; U – напряжение между катодом и анодом; Q – выделяющееся на аноде тепло; eU – энергия ускоренного электрона.

Соотношение между слагаемыми случайно, следовательно, при торможении большого числа электронов образуется радиоактивное излучение различных длин волн.

Зависимость потока рентгеновского излучения от его длины волны – спектр рентгеновского излучения. .

Спектр тормозного радиоактивного излучения непрерывный (сплошной). Этот спектр имеет чёткую границу со стороны коротких волн, так как энергия фотона радиоактивного излучения меньше энергии ускоренного электрона. Определить эту границу можно из условия перехода всей энергии электрона в энергию фотона (Q = 0).

Характеристики спектра можно получить двумя способами:

1. Изменить напряжение на трубке (между анодом и катодом)

2. Изменить температуру накала катода

Увеличение напряжения на трубке вызовет два эффекта: 1) увеличатся скорость и энергия электрона, следовательно, увеличится число квантов тормозного излучения, следовательно, произойдёт изменение спектральных свойств излучения в сторону увеличения жёсткости (коротковолновая граница сместится в область меньших длин волн). 2) увеличится число электронов из электронного облака вокруг катода, которые достигнут анода, следовательно, произойдёт возрастание потока энергии тормозного излучения.

Увеличение температуры накала катода вызовет увеличение эмиссии электронов, следовательно, увеличится поток излучения без изменения спектрального состава.

Характеристическое рентгеновское излучение: увеличение напряжения между катодом и анодом => электрон в поле трубки сильнее ускорится и приобретёт большую энергию => электрон преодолевает отталкивание поля атомарных электронов анода и проникает внутрь атома => внутри атома электрон выбивает новый электрон из внутреннего слоя. На место выбитого электрона обязательно переходит электрон из более удалённого от ядра слоя. Так как энергия внешних электронов больше, чем энергия внутренних электронов, то избыток энергии высвечивается в виде кванта электромагнитного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение всегда образуется при возникновении свободного места в одном из внутренних электронных слоёв атома.

Распределение электронных слоёв определено, следовательно, спектр характеристического излучения дискретный (линейный). Внутренние электронные слои атомов заполнены, а значит одинаковы у атомов разных элементов, следовательно, особенности характеристических рентгеновских спектров атомов сравнимы с относительными атомными спектрами.

Характеристические спектры различных элементов однотипны по форме и отличаются лишь положением на оси длины волн. С увеличением порядкового номер испускаемого электрона (в трубке – вещество анода) спектры сдвигаются в сторону меньших длин волн (в зону больших частот). Причина сдвига – усиление влияния ядра на электронные оболочки.

Закон Мозли:

, где А и В – постоянные, учитывающие взаимное расположение электронных слоёв и влияние ближних к ядру электронов.

Характеристический спектр элемента не зависит от того, в какие химические соединения он входит.

Пограничные лучи и их свойства

Поглощение и действие пограничных лучей на глаз

Для выяснения степени поглощения пограничных лучей различными отделами глаза были проведены экспериментальпые исследования. В опытах на глазах кроликов и на энуклеированных глазах людей было установлено, что при напряжении в 9—11 kV и силе тока в 10 тА от 74 до 85% лучей поглощаются роговицей. Остальная часть лучей абсорбируется полностью влагой передней камеры.

Н. К. Монюкова в ряде опытов стремилась выяснить степень поглощения роговицей и склерой пограничных лучей различной жесткости. Измерения проводились на склере и роговице, взятых из свежеэнуклеированных человеческих глаз. Параллельно проводились также контрольные измерения поглощения парафином пограничных лучей. Пропуская лучи разной жесткости в 8, 9, 10 и 12 kV, были получены следующие данные:

Как видно из таблицы, при напряжении в 8 kV, т. е. при том напряжении, которое обычно применяется для лечения поверхностных заболеваний глаза, главная масса пучка пограничных лучей (86%) поглощается роговицей, причем, как отмечает автор, поверхностными ее слоями до глубины в 0,5 мм поглощается около 51%, что имеет большое значение при лечении поверхностных заболеваний роговицы. Далее, эти опыты показали, что для воздействия на глубокие части роговицы необходимо применять более жесткие лучи (HWS 0,02 — 0,029 мм А1).
Но и при применении лучей такой жесткости только незначительная часть их достигает радужной оболочки и хрусталика.

Дальнейшие исследования показали, что степень поглощения пограничных лучей радужной оболочки цилиарпым телом и хрусталиком зависит от того, направлен ли пучок лучей прямо на роговицу или на область лимба и склеры. Когда на область лимба или склеры попадает большая доза (до 5 000 r) жестких лучей (HWS 0,033 мм А1), то радужная оболочка и цилиарпое тело могут поглощать до 450 r; некоторая часть этих лучей достигает и периферических частей хрусталика через заднюю камеру.

В последнее время Н. А. Подкаминский проводил измерения степени поглощения пограничных лучей различными отделами глаза с помощью специально сконструированной им игольчатой камеры, которая может быть введена в глаз на различную глубину. Им было установлено, что при напряжении в 10 kV, силе тока 10 mА и кожно-фокусном расстоянии 10 см около 80% лучей поглощается роговицей, до передней поверхности хрусталика доходит 20% и до сетчатки 8%.

Действие пограничных лучей на глаз

Экспериментальные исследования ряда авторов (Мошокова, Балтии, Крассо) показали, что даже большие дозы, превосходящие во много раз терапевтические, могут вызвать в глазах кроликов только преходящие изменения в виде гиперемии и отека конъюнктивы век и глазного яблока, а также легкую отечность роговицы и поверхностные помутнения. Все эти изменения быстро исчезают. При длительном наблюдении (свыше одного года) мы не могли отметить каких-либо стойких изменений в роговице, в радужной оболочке и хрусталике.

Н. А. Подкаминский в своих опытах обнаружил, что в результате облучения наступает, как правило, волновая сосудистая реакция в конъюнктиве век и глазного яблока. Продолжительность этой реакции пропорциональна величине дозы. При больших дозах (3 000—4 000 r) первая и вторая фаза непосредственно сливаются друг с другом. При длительных сроках наблюдения (до 188 дней) волновая реакция наблюдалась 3—4 раза. Однако необходимо осторожно делагь вывод о повторной конъюнктивальной реакции у кроликов, у которых можно часто наблюдать явления конъюнктивита и независимо от произведенных раньше облучений.

Далее, Подкаминский отмечает, что у взрослых кроликов скоро преходящие изменения в роговице появлялись уже после облучения дозой в 1000—2 000 r. После облучения максимальной дозой в 6 000 r истыканность верхней половины роговицы была заметна еще на 102-й день. У молодых кроликов изменения в роговице наступают уже при дозе в 500 r. При дозе в 4 000 г у них появляются ограниченные помутнения в передних слоях хрусталика. Ввиду того что при этом не были отмечены какие-либо изменения в сосудистом тракте, он делает вывод, что рентгеновская катаракта обусловлена непосредственным воздействием лучей на хрусталик.
На основании своих исследований Подкаминский полагает, что катарактальная поверхностная доза человека должна примерно составлять 2 000-2500 r.

На коже век после применения больших доз можно наблюдать поздние повреждения в виде пигментации, телеангиэктазии, а также стойкое выпадение ресниц. Большие дозы (свыше 2 000 r) применяются только для лечения эпигелиом век; при воспалительных же заболеваниях глаза и его придатков обычно применяемая суммарная доза не может вызвать каких-либо повреждений.

До сих пор всеми признавалось, что кумулятивная способность пограничных лучей по сравнению с рентгеновыми лучами незначительна. Однако Подкаминский на основании своих экспериментальных исследований утверждает, что и пограничные лучи обладают такой же кумулятивной способностью, как и рентгеновы. Следовательно, этот момент при частых, повторных облучениях пограничными лучами должен быть принят во внимание.

Кроме местного воздействия, пограничные лучи, как показали наблюдения Букки и других исследователей, могут оказать благоприятное влияние на течение различных заболеваний и при общем облучении кожи туловища в определенном ритме. Так, отмечается благоприятный эффект при язве желудка и кишечника, астме, грудной жабе и т. д. Букки объясняет это воздействием пограничных лучей на концевые окончания вегетативной нервной системы, находящихся в поверхностных слоях кожи.

Применение пограничных лучей при экземе, ожогах век и блефаритах

Применение пограничных лучей при экземе кожи век и при блефаритах дает прекрасные результаты. При мокнущей экземе кожи век можно отметить во многих случаях, не поддававшихся до того другим видам медикаментозной терапии, значительное улучшение уже после двух-трех сеансов. Хорошие и быстрые результаты получаются при экземе, развивающейся иногда после окраски ресниц с косметической целью. При этом мы обычно применяем следующую методику облучения: 8 kV, 5 mA, кожно-фокусное расстояние 10 см; доза на сеанс 200—300 r.
Интервал между сеансами 5—7 дней. Редко приходится применять больше трех сеансов. При более глубоком расположении процесса применяются более жесткие лучи (9—10 kV).

Такие же благоприятные результаты получены нами при язвенных блефаритах. Перед облучением необходимо тщательно очистить края век от корок. Условия облучения здесь такие же, как и при экземе век.
Хорошие результаты, полученные при лечении воспалительных заболеваний кожи век, побудили М.М. Балтина во время войны применить этот метод и при ожогах лица и век, наблюдающихся иногда при ранениях лица различными взрывчатыми веществами. Ожоги первой степени обычно не дают тяжелых осложнений; при ожогах второй степени часто присоединяется вторичная инфекция, что в значительной степени осложняет течение болезни и удлиняет процесс заживления.

К наиболее тяжелым последствиям приводят ожоги третьей степени, при которых, в зависимости от глубины поражения, образуется более или менее глубокий некроз тканей. Особенно тяжелы, последствия при ожогах век. В результате рубцевания нарушается основная функция век как защитного органа.

Главной целью лечения ожогов кожи является уменьшение болей, предотвращение инфекции, ускорение эпителизации и образование гладкого рубца. Все это в значительной степени достигается с помощью пограничных лучей. Во всех случаях обширных ожогов лица и век второй степени мы могли отметить уже после первого или второго сеанса значительное улучшение.

Лицо пострадавшего буквально преображалось в течение нескольких дней. На местах, где имелась влажная обнаженная поверхность после вскрывшихся пузырей (эти места являются наиболее предрасположенными к инфекции), можно было отметить быстрое высушивающее действие лучей. Корки быстро отторгались, начиналась эпителизация, и вскоре места ожогов покрывались тонкой нежной кожей.
Лечение обычно продолжалось не более недели. Благотворное влияние пограничных лучей заключается также в их аналитическом действии.

При обширных ожогах лица и век облучаемая поверхность делится на несколько участков. Производится облучение каждого поля в отдельности (но в один сеанс). Условия облучения при этом такие же, как и при экземе век, однако облучение производится каждый день или через день. Редко приходится назначать больше 4 сеансов.
При ожогах третьей степени можно получить также вполне удовлетворительные результаты, если начинать облучение своевременно, до образования плотной корки на местах ожога.

Во время облучения нельзя пользоваться всякого рода присыпками, так как образующиеся при этом корки задерживают пограничные лучи, вследствие чего они в недостаточном количестве попадают на обожженную поверхность.
Облучение пограничными лучами рекомендуется и при вяло заживающих ранах века.

Читайте также: